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DE3602153A1 - Verfahren zum wickeln von partikelfiltern - Google Patents

Verfahren zum wickeln von partikelfiltern

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Publication number
DE3602153A1
DE3602153A1 DE19863602153 DE3602153A DE3602153A1 DE 3602153 A1 DE3602153 A1 DE 3602153A1 DE 19863602153 DE19863602153 DE 19863602153 DE 3602153 A DE3602153 A DE 3602153A DE 3602153 A1 DE3602153 A1 DE 3602153A1
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DE
Germany
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fibers
wound
filter
winding
fiber
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Withdrawn
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DE19863602153
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Ulrich Wenner
Robert Baumann
Werner Herrmann
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WENNER, ULRICH, DIPL.-ING., 3110 UELZEN, DE
Original Assignee
MAN Technologie AG
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Publication date
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Wickeln von Partikelfiltern für Gase, insbesondere Abgase, bei dem die Fasern um eine lösbare Wickelhilfe, z. B. Dorn gewickelt werden.
Unter verschiedenen Methoden, Partikelfilter herzustellen, ist auch ein als Wickelkörper ausgebildeter Filter bekannt. Diese werden in verhältnismäßig dünnen, auf einem Stützkörper aufgewickelten Faserlagen verwendet und je nach Anwendung in mehreren oder wenigeren Stückzahlen eingesetzt, um die erforderliche Filteroberfläche zu erhalten.
Das mit Partikeln versetzte Gas, zum Beispiel Abgas aus Verbrennungsmotoren, strömt in Betrieb durch den Faserfilterkörper und den mit Durchbrüchen versehenen Stützkörper. Die im Gas enthaltenen Partikeln werden dabei an der Oberfläche der Filter festgehalten. Derartige Filter eignen sich nicht für Anwendungen, bei denen ein großes Partikelvolumen anfällt, wie beispielsweise aus den Abgasen von Fahrzeugmotoren. Für so einen Fall müßten entweder eine große Anzahl von Filtern verwendet werden oder die Filter müssen im Gebrauch öfters regeneriert werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem Filter herstellbar sind, die eine große Filterkapazität aufweisen.
Die Aufgabe ist mit den im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst, wobei beim Wickeln des Filters Lücken vorgesehen werden, die das Eindringen von Partikeln mit dem Gas in die inneren Bereiche des Filters ermöglichen. Auf diese Weise wirkt nicht nur die Oberfläche, sondern das gesamte Filtervolumen als Ablagerungsfläche für die im Gas enthaltenen Partikeln. Die Lücken müssen dabei so gestaltet sein, daß die Abgase mehrfache Umlenkungen erfahren und auf diese Weise Partikeln, die nicht an der Oberfläche bzw. den ersten Schichten festgehalten wurden, in tieferen Schichten festgehalten werden können.
Die Porosität wird vorzugsweise durch gleichzeitiges Wickeln mehrerer Faserstränge erreicht, die mit Abstand zueinander in Kreuzlagen gewickelt werden. Hierbei werden die Fasern einer nächsten Lage über mehrere Fasern der vorhergehenden Lage gelegt, ohne Knotenpunkte zu erzeugen. Das hat den Vorteil, daß eine Zwischenlage die beiden angrenzenden sich kreuzenden Faserlagen in einem Abstand, der in etwa der Faserstrangdicke entspricht, auseinanderhalten kann. Dieses wird in einer fertigungstechnikisch einfachen Art durch die Verwendung eines Ringfadenauges erreicht. Die Zahl der mit dem Ringfadenauge geführten Faserstränge richtet sich nach dem Durchmesser des Wickelkörpers und nach dem gewünschten Abstand zwischen den Fasersträngen. Jede Wickellage wird dabei ausschließlich aus nebeneinanderliegenden Fasern, d. h. ohne Verknotungen bestehen.
Die Fasern verschiedener Lagen gleicher Orientierung werden dabei auf Luke gewickelt, um Porenkanäle zu vermeiden, die gradlinig die Wickelkörperwandung durchqueren. Es entstehen somit Zickzackkanäle, durch die das Gas mit Partikeln durchströmen kann und dabei sich immer wieder Partikeln ablagern können.
Zum Beispiel bei rohrförmigen Filtern können mehrere Filter in einem Arbeitsgang gewickelt werden, indem ein entsprechend langer Filterkörper gewickelt und hintereinander in die Filterkörper aufgetrennt wird. Arbeitszeit und Materialverlust werden dabei reduziert.
Die Faserstränge können aus vielen dünnen Elementarfäden zusammengefaßte Rovings sein, wobei der Querschnitt eines Elementarfadens vorzugsweise unter 10 µm dick ist. Ein derartiger Faserstrang hat den Vorteil, daß durch die Vielzahl von sehr dünnen Elementarfäden die Ablagerungsfläche für die Partikel stark erhöht wird. Deren Wirkung wird insbesondere dann spürbar, wenn die Faser locker gewickelt ist, so daß das Gas mit kleinen Partikeln auch durch Faserstränge strömen kann. Bei rohrförmigen Filtern wirkt sich in dieser Hinsicht auch ein größerer Durchmesser vorteilhaft aus.
Es ist aber auch möglich, als Faserstränge ein Garn aus dünnen, verdrillten Elementarfäden zu verwenden. Das Garn wirdrunden seinen auch im bewickelten Zustand annähern rund gehalten Querschnitt im Wickelkörper behalten, so daß die Bildung der Strömungskanäle zwischen Fasersträngen und Faserlagen besser zum Tragen kommen und durch die Wahl Garndicke reproduzierbar bestimmt werden können.
Für die Verwendung eines erfindungsgemäß hergestellten Filters zur Reinigung von Partikeln, insbesondere Rußpartikeln, werden Fasern aus temperaturbeständigen Materialien verwendet, insbesondere Keramik, Silizium oder Glas. Derartige Fasern bilden einen weichen elastischen Filterkörper, der im allgemeinen nicht selbsttragend ist. Durch Einbringen von Hilfsfasern, wie Metall-, insbesondere Stahlfasern kann dem Wickelkörper eine ausreichende Steifigkeit gegeben werden, die dem Wickelkörper einen selbsttragenden Charakter geben.
Die Hilfsfasern können mit den übrigen Fasern mitgewickelt werden, so daß der Filterkörper gleichmäßig mit Hilfsfasern durchsetzt ist. Es ist aber auch möglich, die Hilfsfasern entweder gewickelt oder zu einem Netzwerk verarbeitet, vorzugsweise an den Oberflächen des Filterkörpers zu versehen. In jedem Fall dient das Hilfsfaserwickel- oder Netzwerk gleichzeitig als Filtermaterial, auf dem sich die Partikeln genauso wie bei den übrigen Fasern ablagern können.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung sind in
Fig. 1 ein erstes Beispiel,
Fig. 2 ein Detail aus Fig. 1 und
Fig. 3 ein zweites Beispiel schematisch dargestellt.
Das Verfahren kann mit jeder in der Wickeltechnik bekannten Methode durchgeführt werden. In Fig. 1 ist beispielsweise ein Fadenauge (10) mit drei nebeneinander angeordneten Fasersträngen (11) gezeigt, die um einen sich um die Achse drehenden Dorn (12) gewickelt werden. Die Faserstränge (11) werden dabei jeweils in Abständen (13) gehalten, so daß pro Wicklung eine Breite (14) bestrichen wird, die größer ist als die Summe der Durchmesser der drei Fasern.
Die erste Wickellage (15) ist in etwa im Winkel von 60° gelegt. Eine zweite Lage wird über Kreuz mit minus 60° gelegt. Die dritte Lage kann dann wiederum eine andere Orientierung erhalten, die weder der ersten noch der zweiten Lage entspricht. Wenn die dritte Lage auch 60°, wie die erste Lage gelegt werden soll, dann werden die Faserstränge jeweils auf Luke gegenüber der vorhergehenden auf Luke gleichorientierten Lage gelegt, wie es gestrichelt unter der Bezugsziffer (16) dargestellt ist.
Das Ergebnis eines derartigen Wickelmusters ist in Fig. 2 als stark vergrößerter Ausschnitt dargestellt, wobei zur Vereinfachung der Darstellung die Fasern unterschiedlicher Orientierungen sich im rechten Winkel kreuzend gezeichnet sind. Durch die im Abstand und auf Luke gewickelten Fasern (20) bilden sich Porenkammern (21), die alle untereinander miteinander verbunden sind, aber keine die Filterwandung geradlinig durchquerende Öffnungen bilden. Ein Abgasstrom (22) wird daher zickzackförmig innerhalb dieser Kammern (21) bzw. Kanäle geführt, die einerseits groß genug sind, um die im Gas (22) enthaltenen Partikeln durchzulassen, und andererseits klein genug sind, um diese Partikel zu deren Weg durch den Filter (23) mit den Fasern (20) festhalten zu können. Die wirksame Filtrieroberfläche erstreckt sich somit auf die Oberfläche sämtlicher Faserstränge (11 bzw. 20) des Filterkörpers.
Ein Faserstrang (11) besteht aus mehreren Elementarfäden (18), die gebündelt zu einem Faserstrang oder Roving (11) zusammengefaßt sind. Im Beispiel gemäß Fig. 2 bestehen die Faserstränge (20) aus zu einem Garn verdrillten Elementarfäden (24).
Bei einer lockeren Fadenführung sind die Elementarfäden (18 bzw. 24) nicht so dicht aneinander gepreßt, so daß Gase (22) auch durch einen Faserstrang (11 bzw. 20) hindurchströmen kann und damit kleinere Partikeln mit hineinziehen kann, die an Elementarfäden festgehalten werden. Hiermit erweitert sich die Filterwirkfläche auf die Oberfläche der Elementarfäden.
In Fig. 3 ist ein Beispiel gezeigt, bei dem ein rohrförmiger Filter 39 unter Verwendung eines Ringfadenauges 30 gewickelt wird. Das Ringfadenauge 30 hat sechs Bohrungen 31, durch die jeweils ein Faserstrang 32 geführt wird, die über Lenkrollen (33) geleitet sind.
Die Zahl der gemeinsam zu wickelnden Faserstränge (32) richtet sich nach dem gewünschten Abstand (13, Fig. 1) zwischen den Fasersträngen (32) am Wickelkörper (39) und dem Durchmesser des Wickelkörpers (39).
Der Dorn besteht aus einem Dornkern (37), um den Hülsenelemente (38) herumgelegt sind. Die Faserstränge (32) werden auf die Hülsensegmente (38) aufgewickelt, indem der Dorn (37, 38) in Pfeilrichtung gedreht und das Ringfadenauge (30) in axialer Richtung verschoben.
Über die resultierende Geschwindigkeit, die sich aus der Kombinat der Drehgeschwindigkeit des Dornes und des Vorschubes des Fadenauges ergibt, wird der Wickelwinkel bestimmt. Die Winkel werden so gewählt, daß die Fasern jeder Lage sich mit den Fasern der anliegenden Fasern kreuzen.
Ein weiterer zu beachtender Parameter ist der Faserzug während des Wickelvorganges. Je lockerer die Faser bzw. der Faserstrang geführt wird, desto weicher ist der Wickelkörper und desto lockerer liegt der Faserstrang und damit die Elementfäden. Bei lockerem Faserzug flachen sich dagegen die Faserstränge im Querschnitt ab, so daß auch die Kammern (21) flacher werden.
Beispiel 1
Zur Herstellung eines rohrförmigen Filters für Abgase wurde ein lösbarer Dorn (37, 38) von 5 cm Quermesser mit einer bestimmten Schub- und Drehgeschwindigkeit durch ein Ringfadenauge gezogen, das 12 Faserstränge führte. Jeder Faserstrang bestand aus ca. 6.000 7 µm dicken Elementarfäden aus Siliziumoxid, die zu Rovings zusammengebündelt waren. Die 12 Rovings wurden im Abstand von ca. 2 mm voneinander auf den Dorn gelegt. Die Rovings wurden in 45° Kreuzlagen gewickelt bis zu einer Wandstärkendicke des rohrförmigen Filters von etwa F5 mm. Im Wickelvorgang betrug der Faserzug/ Roving ca. 200 g.
Im Ergebnis konnte festgestellt werden, daß nach dem Abziehen des Wickelkörpers vom Dorn ein weicher, verformbarer Wickelkörper entstand, dessen Wandung zusammendrückbar war. Die Faserstränge lagen darin lose und mit Abständen voneinander, so daß von einem porösen Wickelkörper gesprochen werden konnte.
Beispiel 2
Auf den zylindrischen Dorn wurde ein Netzwerk von 2 bis 3 mm Maschenweite aus 0,2 mm dickem Stahldraht umwickelt, wobei an den beiden Enden jeweils eine Hülse untergelegt wurde. Mit einem Draht wurde das Netzwerk jeweils an einem Ende um die Hülse verankert. Anschließend wurde im gleichen Wickelverfahren wie im Beispiel 1 Siliziumoxidfasern auf das Netzwerk aufgewickelt. Schließlich wurde um den Wickelkörper ein zweites Netzwerk gleicher Eigenschaften wie das erste um den Wickelkörper gelegt und an den Enden jeweils mit einer Schelle um die Hülse verankert. Dieser Filter hatte nach dem Herausziehen des Dornes eine Steifigkeit, die ausreichte, um den Filterkörper ohne zusätzliche Stützmaßnahmen zu verwenden bzw. einsetzen zu können. Filterversuche mit Abgasen von Verbrennungsmotoren haben ergeben, daß der Filter über den gesamten Querschnitt hinweg verteilt zurückgehaltene Rußpartikeln enthielt, einschließlich auf den Stahlfasern.
Beispiel 3
Mit einem Ringfadenauge für 12 auf den Umfang gleichmäßig verteilte Faserstränge aus 0,43 mm dickem Keramikgarn mit über 6.000 dünnen Elementarfäden wurde ein Filterkörper auf einem Dorn gemäß Fig. 3 gewickelt. Das Ringfadenauge führte gleichzeitig 4 regelmäßig zwischen den Garnführungen verteilte Stahldrähte von 0,5 mm Durchmesser. Die 16 Faserstränge wurden in einem Arbeitsgang in 24 Lagen in der Art wie im Beispiel 2 auf den Dorn gewickelt. Die Wanddicke des fertigen Wickelkörpers betrug ca. 3 mm.
Mit einem Faserzug von ca. 200 g pro Keramikfaser und ca. 300 g pro Stahlfaser erreichte der vom Dorn abgezogene Wickelkörper im Zusammenhang mit den anderen Verfahrensparametern eine ausreichende Steifigkeit, wobei das Keramikfasergeflecht eine lose, porenbildende Struktur hatte. Es konnte eine Tiefenfilterwirkung festgestellt werden, wobei eine in beiden möglichen Richtungen gleichmäßig wirkungsvolle Filterung durch den gesamten Filterquerschnitt beobachtet wurde.

Claims (12)

1. Verfahren zum Wickeln von Partikelfiltern für Gase, bei dem die Fasern um einen lösbaren Dorn gewickelt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (11, 20) so geführt werden, daß der Wickellkörper (23) eine für eine Tiefenfilterwirkung erforderliche Porosität (21) aufweist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Faserstränge (11) gleichzeitig und mit Abstand (13) zueinander in Kreuzlagen (15) gewickelt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (11, 18) lose gewickelt werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Fasern verschiedener Lagen (15) gleicher Orientierung auf Luke (16) gewickelt werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der Faserstränge (11, 20) so gewählt wird, daß sie zusammen mit den dazwischenliegenden Abständen (13) die Filterbreite ausfüllen.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserstränge Rovings (11) oder Garne (20) aus sehr dünnen Elementarfäden (18 bzw. 24) sind.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elementarfäden (18, 24) im Bereich von einigen µm, vorzugsweise unter 10 µm dick sind.
8. Verfahren nach der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung von Filtern (23) für Abgase Fasern (20) aus Keramik, Glas oder ähnlichem temperaturbeständigen Material verwendet werden.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß außer den Fasern (11) gemäß Anspruch 7 zusätzlich Hilfsfasern (19) höherer Steifigkeit, insbesondere Metallfasern verwendet werden, die so in den Wickelkörper eingebracht werden, daß sie dem Wickelkörper eine ausreichende Steifigkeit verleihen.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsfasern (19) mit den übrigen Fasern (11) mitgewickelt werden.
11. Nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1 hergestellter Partikelfilter aus gewickelten Fasern, dadurch gekennzeichnet, daß der Filter (23) durch offenes und loses Wickeln einen poröser Körper mit Tiefenfilterwirkung bildet.
12. Filter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der poröse Wickelkörper durch Einbeziehen von Fasern (19) höherer Steifigkeit selbsttragend ist.
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